Leistung ist ein oft herangezogener Wert, wenn Fahrzeuge verglichen werden. Nicht selten geht es auch um das Drehmoment. Was ist das eine, was das andere, wie stehen beide im Verhältnis und warum bilden sie Kurven, wenn der Verlauf gezeigt wird? Wir erklären es euch genau.
Drehmoment
Das Drehmoment (Newtonmeter, Nm) ist eine Kraft, die auf einem Radius respektive in einer Drehung auf einen Mittelpunkt wirkt. Sie ergibt sich aus dem Produkt der eingebrachten Kraft und der Hebellänge, über die sie auf diesen Punkt wirkt. Es muss keine Bewegung vorhanden sein, um ein Drehmoment wirken zu lassen.
Um das Drehmoment zu verändern, muss die Kraft oder die Hebellänge oder beides verändert werden. Beim Verbrennungsmotor wird das durch die Auslegung der Verbrennung und der Auslegung der Kurbelwelle und Pleuel erreicht. Hinter dem Motor verändern dann die Getriebe (Schalt- oder Automatik, Verteilergetriebe, Differenziale) das Drehmoment weiter. Die Zahnräder im Getriebe sind nichts anderes als Hebel unterschiedlicher Längen.
Drehmoment, das Produkt aus Kraft und Hebellänge.Leistung
Leistung (P) ist ein Wert für Arbeit, die in einer bestimmten Zeitspanne verrichtet wird. Sie wird in Watt (W) angegeben. James Watt war der bekannteste Erfinder der Dampfmaschine. Bei Fahrzeugen liegt die Leistung im Kilowatt-Bereich (kW). Die ältere Angabe ist Pferdestärke (PS). Eine Pferdestärke entspricht der Kraft, die nötig ist 75 kg in einer Sekunde einen Meter zu heben. Dieser Wert wurde von James Watt auf 735 W festgelegt. Als er die Leistung seiner Dampfmaschine beschreiben wollte, war es hilfreich, ein Vergleichsmaß zu haben, das den Menschen geläufig war: Die Arbeitskraft, die ein Pferd dauerhaft leisten kann. Damit haben wir den Umrechnungsfaktor von 0,736 zwischen PS und kW. Ein PS entspricht 0,736 kW.
Mit anderen Worten, Leistung gibt an, wie oft eine Kraft über einen bestimmten Zeitraum erbracht wird. Wichtig an dieser Stelle ist, dass im Gegensatz zum Drehmoment die Zeit (t) eine Rolle spielt.
Das Verhältnis von Leistung zu Drehmoment
Streng genommen ist Leistung (P) = Drehmoment (Nm) x Geschwindigkeit (v). Im KFZ-Bereich wird die Leistung aber mit der Drehzahl (n) assoziiert. Wandelt man die Formel auf die Drehzahl um, ergibt sich für die Leistung (kW) in Bezug auf die Drehzahl: P = Nm x n / 9549. Für die Umrechnung in PS gilt P = Nm x n / 5252.
Aber was bedeutet das jetzt in der Praxis, bezogen auf das Verhalten des Fahrzeugs? Das ist oft nicht so klar. Drehmoment gibt an, wie stark der Motor ist, welche Last er bewegen kann. Leistung gibt an, wie schnell er das tun kann. Das erklärt, warum bei Sportwagen die kW/PS eher im Vordergrund stehen und bei Gelände- oder Nutzfahrzeugen das Drehmoment. Aber unabhängig voneinander sind sie nicht.
Ein hohes Drehmoment macht sich beim Ziehen von Lasten oder schwer beladenen Fahrzeugen bemerkbar, die sich womöglich auch noch bergauf bewegen. Ein Motor mit ausreichend Drehmoment wird nicht viel langsamer werden und stetig die Last ziehen, vielleicht sogar noch beschleunigen können. Bei Geländewagen bedeutet gutes Drehmoment, dass Steigungen souverän bewältigt werden können. Es bedeutet auch, dass größere Raddurchmesser (= größerer Hebel) keine spürbare Auswirkung haben und der Wagen immer noch kräftig zieht. Üblicherweise kann auch mit niedrigeren Drehzahlen gearbeitet werden, was im Gelände oft Vorteile bringt. Warum das so ist, wird weiter unten erklärt.
Leistung macht sich durch Geschwindigkeit bemerkbar, denn Leistung ist Arbeit im Verhältnis zur Zeit. Geschwindigkeit ist Weg im Verhältnis zur Zeit. Viel Leistung erlaubt viel Weg pro Zeit. Beim Drehmoment kommt die Dimension Zeit gar nicht vor.
Ein gutes Beispiel war unser Isuzu D-Max. Als wir ihm größere Reifen verpassten, konnten wir das auf der Autobahn beim Bergauffahren deutlich spüren. Er verlor an Geschwindigkeit und fiel deutlich zurück. Von 140 km/h teilweise auf 100 km/h. Wir mussten zurückschalten. Normalerweise müsste er ja mit größeren Reifen schneller fahren, da bei einer Umdrehung durch den größeren Umfang mehr Weg zurückgelegt wird. Ist das Drehmoment aber zu gering und die Last zu hoch, sinkt auch die abgegebene Arbeit pro Zeit, also die Leistung. Der Wagen wird am Berg langsamer.
Mehr Leistung hätte ihn auf gerader Strecke schneller in der Endgeschwindigkeit gemacht, mehr Drehmoment hätte am Berg verhindert, dass die Geschwindigkeit einbricht.
Unser Isuzu, tolles Auto, aber etwas schwach auf der Brust.Warum das höchste Drehmoment vor der maximalen Leistung liegt
Sehr ihr euch den Verlauf des Drehmoments und der Leistung von Motoren an, oder lest ihr die Fahrzeugangaben durch, fällt auf, dass das höchste Drehmoment immer vor dem Punkt der höchsten Leistung liegt. Beides wird ja immer mit der entsprechenden Drehzahl angegeben. Nehmen wir unseren Toyota Hilux GR Sport als typisches Beispiel. Dort findet ihr die Angaben:
Drehmoment: 420 Nm / 1.200 U/min-1
Leistung: 150 kW / 3.400 U/min-1
Sehen wir uns zum Verständnis die Formel für Leistung noch einmal genauer an: Leistung (P) = Drehmoment (Nm) x Drehzahl (n) / 9549.
Der Grund ist, dass die Leistung das Produkt des Drehmoments und der Drehzahl ist. Seht euch dazu den Graphen weiter unten an.
Solange beide (Drehzahl und Drehmoment) ansteigen (weißer Bereich), steigt in jedem Fall die Leistung. Ab Punkt A fällt nun das Drehmoment leicht ab. Aber solange ein Wert von beiden, in diesem Fall die Drehzahl, noch ausreichend ansteigt (grüner und blauer Bereich), kann der andere Wert, das Drehmoment, schon abfallen. Die Leistung als Produkt der beiden anderen Werte wird dennoch größer.
Ab Punkt B fällt nun das Drehmoment stark ab (roter Bereich). Hier liegt das Leistungsmaximum Punkt C. Die Leistung kann nicht mehr anwachsen, da das Drehmoment zu stark absinkt. Ein Wendepunkt ist erreicht und die Leistung wird wieder kleiner. Übrigens, auf den meisten Graphen schneiden sich die Kurven. Das liegt daran, dass die beiden y-Achsen für Drehmoment und Drehzahl nicht das gleiche Verhältnis anzeigen. In unserem Graphen liegen beide Kurven im gleichen Verhältnis und schneiden sich deshalb nicht.
Üblicher Verlauf von Leistung und Drehmoment.Warum das Drehmoment ab einer bestimmten Drehzahl sinkt
Der Grund dafür ist die Zylinderfüllung mit Luft. Die ist alles andere als linear. Neben den Faktoren wir das Volumen des Zylinders, also dem Hubraum, die Größe der Ventilöffnungen, dem Durchmesser der Luftwege usw. ist die Geschwindigkeit des Kolbens der entscheidende Faktor.
Je schneller der Kolben im Ansaugtakt nach unten schnellt, desto mehr Luft wird in den Zylinder gefüllt. Natürlich bei gleichen Umständen wie dem Öffnungsgrad der Drosselklappe. Sehen wir uns also eine Situation an, in der sich keine Parameter mehr ändern, außer die Kolbengeschwindigkeit: Das Gaspedal ist ganz durchgetreten, die Drosselklappe maximal geöffnet.
Obwohl nun die maximale Menge an Luft einströmen könnte, ist die volle Leistung noch nicht da, sondern baut sich erst auf. Und das ist der Grund, die geöffnete Drosselklappe und die Ventilgrößen bieten nur das Potenzial, dass die maximale Luft einströmen kann. Aber deshalb alleine tut sie es noch nicht. Erst mit der steigenden Menge an Kraftstoff wird die Verbrennung stärker und die Kolbengeschwindigkeit steigt und damit die Luftmenge im Zylinder. Damit setzt sich dann die Leistungsspirale in Gang. Es folgt mehr Kraftstoff, da mehr Luft da ist, der Kolben wird schneller, das bedeutet wieder mehr Luft usw.
Da könnte jetzt immer weiter so gehen, aber irgendwann wird dann der gesamte Ansaugweg und letztendlich die Ventilgrößen zum limitierenden Faktor. Es kann nicht mehr die Luft einströmen, die der Kolben trotz seiner Geschwindigkeit verlangt. Die Verbrennung verliert an Kraft (Punkt A im oberen Graphen), das Drehmoment sinkt wieder und steigt trotz steigender Drehzahl nicht mehr an.
Das gilt genauso für aufgeladene Motoren, sei es nun ein Abgasturbolader oder ein Kompressor. Denn deren Leistung ist im ersten Fall von der Energie und dem Volumenstrom des Abgases abhängig, welche ja auch von der Zylinderfüllung bestimmt werden und im zweiten Fall von der Drehzahl. Sie steigern beide Drehmoment und Leistung, ändern aber nichts am grundsätzlichen Verlauf der Kurven.